Univerza v Ljubljani Fakulteta za matematiko in fiziko Oddelek za fiziko

Univerza v Ljubljani Fakulteta za matematiko in fiziko Oddelek za fiziko Seminar HIDRODINAMIKA OBALNIH VALOV Mateja Erjavec Mentor: prof. dr. Rudolf Podgornik Februar 2010 Povzetek V začetnem delu seminarja so definirani parametri valovanja. Nato sledi opis linearne teorije valovanja in rešitve te teorije. V nadaljevanju se osredotočim na valovanje v bližini obale, na to, na kakšen način se valovi lomijo, kako se njihova višina spreminja pri približevanju obale, kakšen sta valovni setup in runup. Na koncu so opisani še tokovi ob obali. 1

Kazalo 1 Uvod 3 2 Opis valovanja 3 2.1 Linearna teorija valovanja..4 3 Valovi obalnega pasu 7 3.1 Transformacija valov v bližini obale..8 3.2 Valovni setup..9 3.2.1Teorija sevalne napetosti 10 3.2.2 Izračun valovnega setupa....... 11 3.3 Valovni runup...11 4 Tokovi ob obali 12 4.1 Tok, vzporeden z obalo...12 4.2 Rip tok...13 5 Zaključek 15 2

1 Uvod Obalne valove najdemo na območju, ki se razteza od odprtega morja in vse do mesta, kjer valovi pljusknejo na obalo. Ko se valovi približujejo obali, se njihova višina povečuje, medtem ko se globina vode manjša, to pa je eden glavnih razlogov, da se val zlomi [1]. Ljudje pa se ne ustavimo le pri opazovanju valov. Nekateri z veseljem plavajo v njih, drugi se vozijo s čolnom in spet tretji deskajo. Le malokdo pa se vpraša, kakšna je fizika za tem valovanjem, in to bom poskušala pojasniti v tem seminarju. 2 Opis valovanja Valove v grobem delimo na pravilno in nepravilno oblikovane. Pravilni imajo vseskozi konstantno višino in valovno dolžino, nepravilne pa pogosteje najdemo v naravi in se jim višina in perioda spreminjata. Ko gledamo gladino morja, se le-ta s časom spreminja, kar je zelo zapleten pojav. Da bi ga lažje rešili, moramo uvesti določene predpostavke. Pri pravilnih valovih predpostavimo, da so sinusoidne oblike, da se gibajo le v dveh dimenzijah, da imajo majhno amplitudo in da jih lahko opišemo z njihovo višino in dolžino v globoki vodi. Tudi pri nepravilnih valovih se omejimo na dve dimenziji, gladina morja pa odstopa od sinusoide, kar matematično gledano oteži problem [2]. Najprej moramo definirati parametre valovanja. Potujoč val opišemo s prostorsko (x) in časovno (t) spremenljivko ali pa z njuno kombinacijo fazo. Le-to definiramo s θ = kx ωt. V tej enačbi k predstavlja valovni vektor, ω pa krožno frekvenco. Posamezni val lahko natančno opišemo z višino H, valovno dolžino L in globino vode d. Najvišjo točko vala imenujemo hrib, najnižjo pa dolina. Čas, v katerem je v neki izbrani točki dvakrat hrib, se imenuje valovna perioda T, valovna dolžina L pa je razdalja med dvema sosednjima hriboma oz. dolinama. Zgoraj sta bila že omenjena valovni vektor, ki ga definiramo kot k = 2π/L in krožna frekvenca ω = 2π/T. Hitrost faze definiramo kot C = L/T = ω/k, naklon vala ε = H/L, relativno valovno višino pa kot H/d. Parametre valovanja si lahko ogledamo na sliki 1. Slika 1: Definicija valovnih parametrov [3]. 3

2.1 Linearna teorija valovanja Linearna teorija valovanja je le približek resničnemu dogajanju na vodni gladini. Razvita je bila leta 1845, pri njej pa uporabimo kar nekaj predpostavk [2]: tekočina je homogena in nestisljiva, torej je gostota ρ konstantna; površinsko napetost zanemarimo; Coriolisov efekt, ki ga povzroča rotacija Zemlje, zanemarimo; tlak na gladini je enoten in konstanten; tekočina je idealna; na val, ki ga opazujemo, ne vpliva nikakršno drugo gibanje vode, tok je irotacionalen; dno je horizontalna, fiksna, neprepustna meja, kar nam pove, da je vertikalna hitrost na dnu enaka 0; amplituda vala je majhna, oblika vala se ne spreminja s časom in krajem; valovi so ravni ali dvodimenzionalni. Zaradi predpostavke o irotacionalnem toku lahko uporabimo potencial hitrosti Φ. To je skalarna funkcija, katere gradient nam pove vektor hitrosti v vsaki točki v tekočini. Hitrost v smeri x dobimo z u = Φ (1) x V smeri z pa je hitrost w = Φ z. (2) Zaradi kontinuitetne enačbe za nestisljive tekočine mora potencial Φ zadostiti Laplaceovi enačbi 2 Φ x 2 + 2 Φ = 0. (3) z2 Če želimo rešiti enačbo (3), potrebujemo robne pogoje ob dnu in ob gladini vode. To, da je dno neprepustno, nam poda enega od robnih pogojev [4] Φ z = O pri z = d. (4) Na gladini je za infinitezimalno majhne valove navpično premik toka enak vertikalni hitrosti. Torej je robni pogoj η t = Φ pri z = η x, t. (5) z Vendar pa dvig gladine ni poznan, zato potrebujemo še en robni pogoj. Za tlak nad gladino vzamemo, da je konstanten. Torej lahko brez izgube splošnosti rečemo, da je ta konstanta enaka 0. Tako dobimo dinamični robni pogoj [4] Φ t + gη = 0 pri z = η x, t. (6) 4

Za potujoči val ene same frekvence dviganje in spuščanje gladine podaja enačba η = a cos kx ωt. (7) Z upoštevanjem robnih pogojev dobimo enačbo za hitrostni potencial Φ x, z, t = gh cosh k z + 2ω cosh k sin kx wt. (8) Iz enačb (1) in (2) dobimo komponenti hitrosti [2] u = H 2 w = H 2 gt cosh k z + d L cosh kd gt sinh k z + d L cosh kd cos kx ωt, (9) sin kx ωt. (10) Ti dve enačbi povesta lokalno hitrost tekočine pri vsaki globini z + d. Hitrosti sta periodični tako v x kot v t. Gibanje tekočine pod gladino je povezano z gibanjem gladine. Delci se krožno gibljejo v ravnini xz. V teoriji linearnega valovanja se delci gibljejo po krožnicah v globoki vodi in po elipsah v plitvejših vodah (slika 2) [3]. Slika 2: Delci tekočine se v globoki vodi gibljejo po krožnicah in v plitvi po elipsah [4]. Hitrost, s katero se potujoči val premika, je [2] C = L T. (11) Enačbo za hitrostni potencial (8) vstavimo v enačbo za dinamični robni pogoj (6). Rezultat vstavimo v enačbo (5) ter primerjamo s komponento hitrosti v smeri z (10). Dobimo enačbo, ki nam pove, kako je C povezan z valovno dolžino vala L in globino vode d [2] C = gl 2πd tanh 2π L. (12) Ta enačba pove, da valovi z različno valovno dolžino potujejo z različno hitrostjo. Val z večjo valovno dolžino bo potoval hitreje. Če upoštevamo enačbo (11), lahko zapišemo 5

Izrazimo L: C = gt 2πd tanh 2π L L = gt2 2π tanh 2πd L. (13). (14) V enačbi (14) se valovna dolžina L pojavi tako na levi, kot na desni strani. Valove lahko razvrstimo tudi glede na globino vode, v kateri potujejo, kriterij nam podaja enačba d/l. Za globoko vodo je razmerje d/l večje od 1/2, tanh kd pa je približno enak 1. Pri plitvi vodi pa je razmerje d/l od 0 do 1/20, tanh kd pa je kar kd. V globoki vodi lahko enačbe (11), (12) in (13) zapišemo C 0 = gl 0 2π = L 0 T = gt 2π, (15) kjer L 0 predstavlja valovno dolžino vala v globoki vodi. Čeprav o globoki vodi govorimo, ko je globina neskončna, se tanh kd že pri precej manjšem kvocientu d/l približa vrednosti 1. Že če je d/l=1/2 je vrednost tanh 2πd L =0.9964. Ko je relativna globina d/l večja od 1/2, postane hitrost vala neodvisna od valovne dolžine C 0 = gt 2π. (16) Če je d/l manjše od 1/20 (plitva voda), enačbo (12) poenostavimo v [5] C = gd. (17) Kot lahko vidimo iz zadnje enačbe, je hitrost potujočega vala v plitvi vodi odvisna le od globine vode, torej vsi valovi potujejo z isto hitrostjo. Tudi plima in oseka sta zelo dolg val, tako dolg, da so tudi najgloblji oceani zanju plitva voda. Če je ocean globok 4000 metrov, je torej hitrost plime na oceanu približno 700 km/h [5]. Na začetku, ko val nastane zaradi vetra v globoki vodi, sta njegova hitrost in dolžina odvisni le od frekvence. Ko pa se val približuje obali in globina postane manjša od valovne dolžine, sta njegova hitrost in valovna dolžina odvisna od globine in periode (T), ko pa se val še bolj približa obali, sta hitrost in dolžina odvisni le od globine. 6

3 Valovi obalnega pasu Kje in kdaj se valovi lomijo, je odvisno od razmerja d/l (tu je d globina vode in L valovna dolžina valov) in od naklona obale. Glede na obliko valov po lomljenju poznamo štiri različne tipe lomljenja (slika 3) [1]: prelivanje, zarivanje, podiranje in poplavljanje. Slika 3: Načini lomljenja valov: prelivanje (3a), zarivanje (3b), poplavljanje (3c) in podiranje (3d) [2]. Na kakšen način se bodo valovi lomili, je odvisno od naklona obale, strmine valov spredaj, nepravilnostih na dnu in lokalnih vetrov. To pomeni, da se lahko način lomljenja na nekem mestu tudi spremeni. Prelivanje se pojavlja na obalah z majhnim naklonom in je pogosto odvisno od vetrov na obali. Ko se val premika proti obali, se njegova višina postopoma veča in vrh vala zdrsne na vodno gladino. Hrib valovi iz globoke vode približujejo obali. Krajša valovna dolžina teh valov pomeni, da je val strmejši v globoki vodi in da se razlije takoj, ko začuti dno [8]. Zarivanje se pojavi na zmernih do strmih naklonjenih obalah ali pa zaradi nenadne spremembe globine. Pri tem načinu lomljenja se velika količina vode na hribu vala zavrtinči pred sam val in začasno tvori cev vode vala lahko med razlitjem v vodi tvori peno. Ta tip lomljenja valov se pogosto pojavi tudi, ko se 7

na začetku vala, dokler ta cev vode ne pade z glasnim pokom. Tako lomljenje spoznamo po glasnem eksplozivnem zvoku, ki se pojavi, ko se zrak, ki je ujet v ta val, izpusti. To lomljenje je pogosto povezano s povečanimi valovi, ki se približujejo plaži z veliko valovno dolžino. Skrajšanje valovne dolžine, ko val pade, povzroči, da se velika količina vode dvigne v zelo kratkem času [8]. Tretji tip lomljenja valov je poplavljanje, ki se pojavlja le na zelo strmih obalah. Pogosto se ta način opisuje kot nenadni dvig in padec nivoja vode ob obali. Čeprav se voda pri tem tipu vrtinči in ustvarja peno, se kodrast vrh ne pojavi. Globina vode se tako hitro manjša, da val vse do obale ne doseže kritične strmine. Celoten val naenkrat udari na obalo. Podiranje je mešanica med poplavljanjem in zarivanjem. Vrh vala se nikoli ne zlomi popolnoma, spodnji del pa postane strm in pade, kar povzroči nepravilno turbulentno površino vode [9]. Kako se bo val lomil, je povezano tudi s parametrom ζ 0, ki ga definiramo kot [2] ζ 0 = tan β H 0 L 0 1 2, (18) kjer se indeks 0 nanaša na višino in valovno dolžino vala v globoki vodi. S tem parametrom lahko napovemo, kako se bo neki val lomil na enakomerno nagnjeni obali. Velja [2]: podiranje/poplavljanje ζ 0 > 3.3 zarivanje 0.5 < ζ 0 < 3.3 prelivanje ζ 0 < 0.5 (19) Vidimo, da se prelivanje pri valovih z veliko strmino pojavlja na položnih obalah. Zarivanje se pojavlja na bolj strmih obalah pri srednje velikih valovih, podiranje in poplavljanje pa se pojavlja pri nizki strmini valov na zelo strmih obalah. Valovi z zelo nizko strmino se lahko odbijejo od obale in tvorijo stoječi val [2]. Lomljenje valov lahko opišemo z dvema indeksoma. Oba sta namenjena opisu brezdimenzionalne višine zloma vala na višini H b. Prvi je indeks globine lomljenja (slika 4) kjer je d b globina vode ob zlomu, drugi pa indeks višine lomljenja γ b = H b d b, (20) Ω b = H b H 0. (21) Najpogostejša definicija višine H b je, da je to točka, kjer je višina vala največja. 8

Slika 4: Indeks globine lomljenja v odvisnosti od H b /gt 2 [1]. 3.1 Transformacija valov v bližini obale Sprememba višine valov ob obali vpliva na valovni setup, runup, tokovi ob obali in prenos sedimentov. Najpreprostejša metoda, na podlagi katere lahko napovemo spremembo višine valov ob obali je, da prevzamemo konstantno razmerje višina-globina od točke loma do obale [1] H b = γ b d b. (22) Ta metoda je uporabna le, če se višina vode ob obali monotono manjša, in daje najboljše rezultate, če je naklon obale približno 1/30. Na strmejših obalah je višina vala bistveno večja, na položnejših pa manjša. Pri bolj splošni metodi spreminjanja višine valov v bližini dolge, ravne obale, uporabimo enačbo d EC g dx = δ. (23) E je energija vala na površino, C g je grupna hitrost valov, δ je izguba energije na površinsko enoto ob lomljenju vala. Dally, Dean in Dalrymple so določili [1] δ = κ d EC g EC g,s, (24) kjer je κ = 0,15, EC g,s pa je energijski tok, ki je povezana s stabilno višino vala H stable = Γd, (25) Γ je empirični koeficient in ima vrednost približno 0,4. Stabilna višina vala je tista višina pri kateri se val ne lomi in ne spreminja več. Konstanti κ in Γ so dobili z opazovanjem lomljenja valov v tanku vode. Ta približek je narejen na dejstvu, da je izguba energija proporcionalna razliki med lokalnim fluksom energije in stabilnim fluksom energije. Dobimo: d H 2 d 1 2 dx = κ d H2 d 1 2 Γ 2 d 5 2 za H > H stable = 0 za H < H stable. (26) 9

Ta model se je izkazal za uporabnega tudi na»nepravilnih«plažah ter celo na ovirah. 3.2 Valovni setup Ko se valovi na obali lomijo, ustvarijo setup, tj. dvig povprečne gladine vode nad nadmorsko višino mirne vode zaradi lomljenja valov (slika 5). Spremljevalni pojav setupa je setdown, kjer se povprečna vodna gladina zmanjša. η Slika 5: Definicijska skica za valovni setup in runup. Z R je označen valovni runup, z η valovni setup in SWL je gladina mirne vode [7]. Skupna globina vode je vsota globine mirne vode in setupa d = + η, (27) kjer je h globina mirne vode in η povprečna višina dviga vode nad gladino mirne vode (SWL). Da bi ocenili tako setup kot setdown moramo pogledati energetsko bilanco. To sta leta 1962 naredila Longuet-Higgins in Stewart v njuni izpeljavi teorije sevalne napetosti. 3.2.1 Teorija sevalne napetosti Sevalna napetost je fluks gibalnih količin, ki jih prenašajo valovi. So sile na površino, ki se pojavijo zaradi presežka toka gibalnih količin zaradi prisotnosti vala. Če pogledamo fluks horizontalnih gibalnih količin na površinsko enoto vertikalne ravnine dobimo [8] η M x, t = p + ρu 2 dz. (28) Sevalno napetost S xx definiramo kot povprečno vrednost M x, t, od katere odštejemo povprečen tok v odsotnosti valov η S xx = p + ρu 2 η dz p 0 dz. (29) 10

Ker so pogoj za enačbo (9) majhne amplitude lahko člen S (1) xx = ρu 2 dz zapišemo kot S (1) 0 xx = ρu 2 dz. S (2) 0 xx = (p p 0 )dz, pri čemer lahko zaradi nestisljivosti zapišemo p p 0 = ρw 2. Dobimo torej 0 S xx + S xx = 0 ρ u 2 w 2 dz. (30) Če sedaj v (30) vstavimo enačbi (9) in (10) je S (1) xx + S (2) xx = ρgh2 k 4 sin 2k, (31) kar je dvakratna kinetična energija [8]. Tudi S (3) η xx = pdz lahko poenostavimo, če privzamemo, da je tlak hidrostatičen 0 p = ρg(η z). S (3) xx pointegriramo in dobimo kar je potencialna energija [8]. Longuet-Higgins in Stewart sta zapisala skupno energijo S (3) xx = ρgη2 2 = ρgh2 16, (32) S xx = E 2k sinh 2k + 1 2. (33) Sevalna napetost je tenzor. Za S yy na podoben način dobimo [8] 3.2.2 Izračun valovnega setupa S yy = V smeri prečni na obalo, za ohranitev gibalne količine velja ρgh2 k 4 sinh 2k. (34) kjer je S = ρg + η, (35) x S xx x = S d ρg + η x η ρg dx x. (36) S xx je komponenta sevalne napetosti, ki je prečna na obalo. Če vstavimo (365 v (36) dobimo S xx x = ρg η x. (37) Sedaj integriramo levo in desno stran ter dobimo [9] 11

η = kh2 8 sinh 2k. (38) Najbolj se voda zniža zraven točke loma, poveča pa se med točko loma in obalo. Longuet-Higgins in Stewart sta domnevala, da imamo ob obali valove, ki ustrezajo relaciji Za valove v plitvi vodi velja, da je sevalna napetost v smeri x H = γ b + η. (39) S xx = E 2C g C 1 2 = 3E 2. (40) Če vstavimo (39) v (40) in nato v (37) ter za γ vzamemo, da je konstanta, γ 0,42~0,5, ugotovimo [8] η x = 1 1 + 8 2 3γ b x, (41) kjer je x = tan β, naklon obale. Empiričen rezultat zadnje enačbe je η max = 0,17H 0 oz. η max H 0 = 0,45ζ 0. (42) Rezultat je smiseln, saj prav ta faktor najbolje opiše lomljenje valov [8]. 3.3 Valovni runup Valovni runup je največji vertikalni odmik vode na obali (slika 5), ali voda nad gladino mirne vode. To, kako daleč seže val, je odvisno od večih faktorjev: od višine vala, njegove periode, od naklona in sestave obale. Hump je z opazovanjem ugotovil, da je runup odvisen od višine in strmine vala [1] R H 0 = ζ 0, (43) če 0,1 < ζ 0 < 2,3, za enoten, gladek naklon. ζ 0 je podoben faktor, kot smo ga omenili že v enačbi (19), le da je tista enačba razširjena na bolj strm naklon s tan β. Zgornja limita runupa za enoten naklon je podana z 4 Tokovi ob obali R = 2π 1 π 2 H 0 2β 1 4. (44) Val lahko ob obali povzroči zelo zapleten tok, ki vpliva na dvigovanje in spuščanje vodne gladine. Obstajata dva matematična modela nastanka tokov blizu obale. Ena je osnovana na 12

podlagi teorije sevalne napetosti, osnova za drug matematičen model pa je Boussinesq-ova enačba. Skupni tok je sestavljen iz več medsebojno odvisnih komponent [1] u = u w + u t + u o + u i + u a (45) kjer je u w enakomeren tok, ki je posledica lomljenja valov, u t je tok plimovanja, u o tok, ki ga povzroča veter in u a ter u i pa sta nihajoča tokova kot posledica vetra in valov s periodo od 30s do nekaj minut. Tokovi, ki so posledica lomljenja poševno vpadnih valov vetra, ponavadi dominirajo ob odprtih vodah. Tudi močni lokalni vetrovi lahko povzročijo opazne tokove ob obali. Tok zaradi plimovanja pa je najbolj opazen v zalivih in estuarjih. Tokove pri obalah se izračuna s pomočjo naslednjih enačb [1] U U U η + V = g x y x + F bx + L x + R bx + R sx (46) U V U η + V = g x y y + F by + L y + R by + R sy (47) (Ud) x + (Vd) y = 0, (48) kjer je U po času in globini povprečna hitrost prečnega toka, V po času in globini povprečna hitrost vzdolžnega toka, F bx in F by prečna in vzdolžna komponenta trenja na dnu, L x in L y prečna in vzdolžna komponenta lateralnega mešanja, R bx in R by prečna in vzdolžna komponenta vpliva valov na nastanek toka, R sx in R sy pa prečna in vzdolžna komponenta vpliva vetra na nastanek toka. 4.1 Tok, vzporeden z obalo Valovi se pri približevanju obali lomijo in valovi, ki se lomijo pod nekim kotom glede na obalo, ustvarijo tokove, ki so vzporedni z obalo. Ti tokovi so najmočnejši v pasu pred obalo, proti odprtemu morju pa se hitro manjšajo. Vzporedno z obalo premikajo sedimente, še posebej pesek [9]. Ko so valovi močni, zgrabijo sedimente in jih odložijo tam, kjer je tok šibkejši. To povzroča, da se material premika iz področja, kjer je vpliv valov velik, na tista področja, kjer je manjši. Ko se valovi približajo obali pod nekim kotom, nesejo sedimente tako vzdolž obale kot na obalo. Valovi, ki se odbijejo od obale pod vplivom gravitacije, pa nosijo te sedimente pravokotne iz obale. To ustvari cik-cak gibanje sedimentov (slika 6) [10]. 13

Slika 6: Cik-cak gibanje sedimentov [9]. Longuet-Higgins je z upoštevanjem je linearne teorije valovanja, enotno nagnjene obale, nič lateralnega mešanja ter konstantnega razmerja višina-globina izračunal hitrost toka [1] V = 5π tan β γ 16 C b gd sin α cos α, (49) f kjer je tan β tan β = naklon plaže spremenjen za valovni setup, C 1+ 3γ 2 b /8 f je koeficient talnega trenja, α pa je valovanja glede na talne izohipse. 4.2 Rip tok Rip tok je zelo močan tok vode, ki potuje naravnost od obale na odprto morje (slika 7). Pojavi se lahko na kateri koli obali, kjer se lomijo valovi, tudi na jezerih. Rip tok se lahko premakne na drugo lokacijo, njegova hitrost je nekaj deset metrov na dan. Pogosto se pojavlja periodično na plažah. Ko veter in valovi porinejo vodo proti obali, se mora le ta pogosto umakniti valovom, ki prihajajo za njo. Voda potuje ob obali vse dokler ne najde primernega mesta, da gre nazaj na odprto morje. Najpogosteje se pojavijo med peščenimi plitvinami in ob ali pod pomoli. Tok je najmočnejši na površini vode in se okrepi ob oseki in močnih vetrovih. Rip tok se hrani z valovanji, ki so vzporedna obali, in ohranjajo relativno ozek skoncentriran vzorec, ko gredo od obale do globlje vode. Trenje, ki bi tak tok razširil, zanemarimo, prav tako Coriolisovo silo, ker pričakujemo, da bodo zaradi majhnosti sistema prevladovale druge sile. 14

Slika 7: Levo: shematična predstavitev rip toka. Desno: (a) Tok, ki ob ravni oviri teče iz plitve v globlje vode. (b) Dve pravokotni oviri. (c) Premik rip toka. [11]. Enačbe za gibanje (46), (47), (48) se spremenijo [12] U U U η + V = g x y x U V V η + V = g x y y (50) (51) U η + x + V η + y = 0. (52) Upoštevati moramo še V = 0, pri čimer je V vektor hitrosti, da je hitrost neodvisna od globine vode t U = U x, y in V = V x, y, kjer je U komponenta hitrosti pravokotne na obalo in V vzporedna z obalo. Upoštevamo še, da je gostota vode konstantna in da je tlak hidrostatičen. Gostota morske vode znaša približno 1000 kg/m 3. Do spremembe gostote pride zaradi lokalnih fizikalnih dejavnikov (temperatura, ) in sprememba gostote v povprečju za morsko vodo znaša približno 25 kg/m 3 (UNESCO, 1987), kar pomeni lahko upoštevam konstantno gostoto vode. Če je (51) odvisna le od x in odštejemo (50), ki je odvisna le od y [11] D Dt V x U y η + = 0, (53) kjer je D = + V (substancialni odvod) Dt t Iz (53) sledi, da se količina v oklepaju ohranja vzdolž tokovnic. Če η v imenovalcu zanemarimo, nam enačba (52) pove, da obstaja tokovna funkcija Ψ, tako da je 15

U = Ψ y in V = Ψ x. (54) Funkcijo Ψ sestavljajo črte, ki so konstantne in vzporedne tokovnicam. Druga, alternativna oblika enačbe (53) je [11] 1 1 Ψ x x + 1 Ψ = F Ψ. (55) y y Vzemimo tok iz plitve v globoko vodo ob ravni oviri, v smeri osi x (slika 6a ). Analogno temu primeru bi bil tok, ki teče ob pomolu. V bližini ovire lahko predpostavimo, da je V x U y, tako da lahko enačbo (55) zapišemo kot 1 y 1 Ψ y = F Ψ. (56) Označimo dy = dy in dobimo 2 Ψ = F Ψ. (57) y 2 Uvedemo novo spremenljivko Ψ y = U = f 1 Ψ in y = f 2 Ψ. f 1 Ψ in f 2 Ψ sta odvisni od F Ψ, vendar pa trenutno ne potrebujemo točno določenih funkcij. Iz enačbe za f 1 Ψ je razvidno, da mora biti komponenta hitrosti U konstantna vzdolž Ψ in iz f 2 Ψ vidimo, da mora biti y' prav tako konstanten. Če je y 1 razdalja med mejo in Ψ = Ψ a pri x = x 0, potem je ustrezen y 2 pri x = x 2. Če je povprečna vrednost h skozi celoten interval integrala označen z vodoravno črto, potem velja [11] y 1 x 1, y = y 2 x 2, y. (58) Razdalja od Ψ do meje se spreminja obratno kot povprečna globina med tokovnico in mejo. Povečevanje globine v smeri toka skoncentrira tok okoli ovire. Podoben rezultat dobimo za tok, ki se premika ob oviri, npr. v smeri y, in se nato obrne ter nadaljuje ob drugi oviri, pravokotni na prvo (slika 7b). Če se globina povečuje vzdolž druge meje, bo tok postal ožji. Stik vzdolž osi x takega toka in njegove zrcalne slike ponazarja, kako se rip tok premika v globlje vode (slika 7c). Ne glede na nezadostnost predstavljenega modela je verjetno, da ohranitev količine v enačbi (54), vpliva na omejitev širine rip toka. Ko se rip tok premakne ven iz obalnega območja, se zato, ker trenja ne moremo zanemariti, tok porazgubi v»rip glavi«. Rezultat nam ne pove ničesar o stabilnosti tokov vzdolž obale in o tem, kje se rip tokovi sploh pojavijo. Za to potrebujemo bolj izpopolnjen dinamičen model. Ta tok je zelo nevaren za ljudi, saj te vleče na odprto morje. Zaradi upiranja toku pride do utrujenosti in posledično utopitve. Tok pa je nevaren tudi za tiste, ki ne znajo plavati, saj jih lahko povleče v globlje vode, četudi le stojijo v njem [4]. Na leto v ZDA zaradi teh tokov umre 120 ljudi. 16

5 Zaključek Hidrodinamika obalnega valovanja je zapleten fizikalni pojav, ki pa še ni povsem raziskan. Če v linearni teorije ne bi imeli toliko predpostavk, bi bilo reševanje veliko težje. S tem pa se ukvarjajo nelinearne teorije valovanja, ki opisuje tudi gibanje sedimentov. A v prihodnosti bo z višanjem morske gladine, zaradi segrevanja ozračja, poznavanje hidrodinamike obalnega pasu, zelo pomembno za vse države, ki se nahajajo ob morju. 17

Literatura [1] Coastal Engineering Manual - Part II, http://140.194.76.129/publications/eng-manuals/em1110-2-1100/partii/partii.htm. Prevzeto 15.2.2010. [2] http://faculty.gvsu.edu/videticp/waves.htm. Prevzeto 17.2.2010. [3] http://en.wikipedia.org/wiki/airy_wave_theory. Prevzeto 17.2.2010. [4] N. F. Barber. Water waves.wykeham publications LTD, London & Winchester 1969. [5] http://www.eustis.army.mil/weather/sea/waves.htm. Prevzeto 17.2.2010. [6] http://www.tpub.com/content/aerographer/14270/css/14270_88.htm. Prevzeto 18.2.2010. [7] http://coastal.er.usgs.gov/hurricanes/impact-scale/water-level.html. Prevzeto 20.2.2010. [8] http://www.ocean.washington.edu/people/faculty/parsons/549b.html. Prevzeto 20.2.2010. [9] http://en.wikipedia.org/wiki/longshore_drift. Prevzeto 21.2.2010. [10] http://faculty.gvsu.edu/videticp/longshore.htm. Prevzeto 20.2.2010. [11] http://chinacat.coastal.udel.edu/cieg682/protect/arthur-jgr62.pdf. Prevzeto 21.2.2010. 18